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JP2010152177A - アサーマルawgモジュール - Google Patents

アサーマルawgモジュール Download PDF

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JP2010152177A JP2008331428A JP2008331428A JP2010152177A JP 2010152177 A JP2010152177 A JP 2010152177A JP 2008331428 A JP2008331428 A JP 2008331428A JP 2008331428 A JP2008331428 A JP 2008331428A JP 2010152177 A JP2010152177 A JP 2010152177A
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Junichi Hasegawa
淳一 長谷川
Kazutaka Nara
一孝 奈良
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Furukawa Electric Co Ltd
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】 小型で、高い信頼性を有し、かつ低コストのアサマールAWGモジュールを提供する。
【解決手段】 アサーマルAWGモジュール10は、導波路の一部を切断してチップを分離し、分離されたチップを補償板33により連結して温度無依存化を図ったAWG11と、AWG11が基板上に形成されたアサーマルAWGチップ12と、開口部14を有しアサーマルAWGチップ12を収容するパッケージ13と、開口部14を塞ぐ蓋と、を備える。アサーマルAWGチップ12全体が、ゲル状物質でAWG11の導波路と屈折率を整合したゲル状の屈折率整合剤16で覆われている。ゲル状の屈折率整合剤は耐水性に優れ、水を通しにくいので、補償板33を2分離したチップの表面に固定する接着剤の水の浸入による劣化が抑制され、信頼性が向上する。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば波長多重光通信において光合分波器として用いられるアサーマル化(温度無依存化)を図ったアサーマルAWGモジュールに関する。
光合分波器(合波器/分波器)の役割を担うアレイ導波路回折格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)型光合分波器では、石英系ガラスの屈折率の温度依存性のために、中心波長(透過中心波長)に温度依存性がある。その温度依存性をキャンセルするために、導波路の一部を切断してチップを分離し、分離されたチップを補償板により連結してアサーマル化(温度無依存化)を図ったアレイ導波路回折格子型光合分波器(AWGチップ)が特許文献1に記載されている。
特開2006−284632号公報
ところで、上記特許文献1に記載されたような従来のAWGチップをパッケージに収容してアサーマルAWGモジュールを作製する場合、補償板を分離したチップに固定する接着剤が水の浸入により劣化し、中心波長が変動してしまうといった問題があった。さらには、導波路の一部が切断されているために導波路の屈折率と整合したマッチングオイルを充填しなければならず、そのオイルが漏れないようにパッケージに工夫を施さなければならなかった。これらの問題を解決するために、パッケージの開口部を塞ぐ蓋を溶接によりパッケージに固定するハーメチック構造を採用したアサーマルAWGモジュールが考えられる。このアサーマルAWGモジュールの内部構造を図10で示し、同モジュールの蓋を閉めた状態を図11で示している。このアサーマルAWGモジュール100は、上記特許文献1に記載されたアサーマルAWGチップ120と、これを収容するパッケージ130と、該パッケージ130の開口部140を塞ぐ蓋150とを備える。アサーマルAWGチップ120には、導波路の一部が切断されたAWG110が基板上に形成されている。このアサーマルAWGチップ120では、交差分離面300と非交差分離面310とによりチップが2分離され、分離されたチップが補償板330により連結されている。そして、このアサーマルAWGモジュール100では、溶接により封止されたパッケージ130内に図示しないオイル注入口からマッチングオイルを充填する。
しかし、このアサーマルAWGモジュール100では、コストが高くなることや、さらには、溶接しろを設けなければならず、モジュールサイズがひと回り大きくなってしまうといった課題が生じている。つまり、溶接時に溶接箇所160での局所的な熱の上昇があり、チップの温度も上昇するため、アサーマルAWGチップ120と溶接箇所160との間に一定距離Aを設ける必要がある。そのため、モジュールサイズがひと回り大きくなってしまうという問題があった。また、溶接作業が必要になるため、コストが高くなるという問題があった。
本発明は、このような従来点の問題に着目して為されたもので、その目的は、小型で、高い信頼性を有し、かつ低コストのアサーマルAWGモジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係るアサーマルAWGモジュールは、AWGの導波路が形成されたチップの一部を切断して分離し、分離されたチップを補償板により連結して温度無依存化を図ったアサーマルAWGチップと、開口部を有し前記アサーマルAWGチップを収容するパッケージと、前記開口部を塞ぐ蓋と、前記導波路と屈折率を整合し、少なくとも前記分離されたチップ間に充填されたゲル状の屈折率整合剤と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、導波路と屈折率を整合するゲル状の屈折率整合剤が、アサーマルAWGチップの少なくとも分離されたチップ間に充填されているので、蓋を溶接によりパッケージに固定するハーメチック構造を採用する必要がなく、コストの低減と小型化を図ることができる。従って、小型で、高い信頼性を有し、かつ低コストのアサーマルAWGモジュールを実現することができる。さらに、分離されたチップ間にゲル状の屈折率整合剤が充填された状態で、補償板の動きに追従して両チップがずれるので、損失が小さい。
本発明の他の態様に係るアサーマルAWGモジュールは、前記ゲル状の屈折率整合剤は、少なくとも前記アサーマルAWGチップ全体を覆っていることを特徴とする。
この構成によれば、アサーマルAWGチップ全体を導波路と屈折率を整合したゲル状の屈折率整合剤で覆っている。ゲル状の屈折率整合剤は耐水性に優れ、水を通しにくいので、補償板を分離したチップの表面に固定する接着剤の水の浸入による劣化が抑制され、接着剤の劣化による中心波長の変動が抑制される。これにより信頼性が向上する。また、液体(マッチングオイル)より粘性が高いゲル状の屈折率整合剤でアサーマルAWGチップ全体を覆っている。このため、蓋を溶接によりパッケージに固定するハーメチック構造を採用する必要がないので、コストの低減と小型化を図ることができる。従って、小型で、高い信頼性を有し、かつ低コストのアサーマルAWGモジュールを実現することができる。さらに、アサーマルAWGチップ全体をゲル状の屈折率整合剤で覆っているため、衝撃や振動時にアサーマルAWGチップにかかるダメージを抑制することができ、強固なアサーマルAWGモジュールを実現することができる。
本発明の他の態様に係るアサーマルAWGモジュールは、前記アサーマルAWGチップは、1本以上の光入力導波路と、該光入出力導波路の出射側に接続された第1スラブ導波路と、該第1スラブ導波路の出射側に接続され互いに異なる長さの複数本のアレイ導波路と、該複数本のアレイ導波路の出射側に接続された第2スラブ導波路と、該第2スラブ導波路の出射側に接続された複数本の光出力導波路と、を備え、前記第1スラブ導波路及び第2スラブ導波路の少なくとも一方を、スラブ導波路を通る光の経路と交わる交差分離面によって分離して複数の導波路チップに分離され、かつ該分離された導波路チップの各々を前記補償板により連結していることを特徴とする。
本発明の他の態様に係るアサーマルAWGモジュールは、前記アサーマルAWGチップは、第1スラブ導波路及び第2スラブ導波路の一方を、スラブ導波路を通る光の経路と交わる交差分離面によって分離して2つの導波路チップに分離され、かつ該2つの導波路チップを一つの前記補償板により連結していることを特徴とする。
本発明の他の態様に係るアサーマルAWGモジュールは、前記蓋はネジで前記パッケージに固定されて前記開口部を塞いでおり、前記蓋と前記パッケージとの間にはハーメチック構造を採用していないことを特徴とする。この構成によれば、コストを更に低減することができる。
本発明の他の態様に係るアサーマルAWGモジュールは、前記アサーマルAWGチップが収容された前記パッケージ内部全体に前記ゲル状の屈折率整合剤が充填されていることを特徴とする。この構成によれば、信頼性を更に向上させることができる。
本発明によれば、導波路と屈折率を整合したゲル状の屈折率整合剤が、少なくともアサーマルAWGチップの少なくとも分離されたチップ間に充填されていることにより、小型で、高い信頼性を有し、かつ低コストのアサーマルAWGモジュールを提供することが可能となる。
次に、本発明を具体化した実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るアサーマルAWGモジュール10の内部構造を示している。このアサーマルAWGモジュール10は、AWG11の導波路が形成されたチップの一部を切断して分離し、分離されたチップを補償板33により連結して温度無依存化を図ったアサーマルAWGチップ12と、開口部14を有しアサーマルAWGチップ12を収容するパッケージ13と、開口部14を塞ぐ蓋15(図3)と、を備える。また、アサーマルAWGモジュール10では、図1および図2に示すように、アサーマルAWGチップ12全体が、AWG11の導波路と屈折率を整合したゲル状の屈折率整合剤16で覆われている。
図1で示すアサーマルAWGチップを図4に基づいて更に詳細に説明する。このアサーマルAWGチップ12は、例えばシリコンなどの基板上に石英系ガラスの導波路を形成することにより得られる。アサーマルAWGチップ12のAWG11は、1本以上の光入力導波路20と、光入力導波路20の出射側に接続された第1スラブ導波路21と、第1スラブ導波路21の出射側に接続されたアレイ導波路22と、アレイ導波路22の出射側に接続された第2スラブ導波路23と、第2スラブ導波路23の出射側に接続された複数本の光出力導波路24とを有している。
アレイ導波路22は、第1スラブ導波路21から導出された光を伝搬するものであり、複数のチャンネル導波路22aを並設して形成されており、隣り合うチャンネル導波路22aの長さは互いに設定量(ΔL)だけ異なっている。なお、光出力導波路24は、例えばAWG11によって分波あるいは合波される互いに異なる波長の信号光の数に対応させて設けられるものであるが、図4においては、図の簡略化のために、これらのチャンネル導波路22a、光出力導波路24および光入力導波路20の各々の本数を簡略的に示してある。
光入力導波路20には、例えば送信側の光ファイバ(図示せず)が接続されて、波長多重光が導入される。この波長多重光は、光入力導波路20を通って第1スラブ導波路21に導入されて、その回折効果によって広がってアレイ導波路22に入射し、アレイ導波路22を伝搬する。このアレイ導波路22を伝搬した光は、第2スラブ導波路23に達し、さらに、光出力導波路24に集光されて出力される。ここで、アレイ導波路22の全てのチャンネル導波路22aの長さが互いに異なることから、アレイ導波路22を伝搬した後に個々の光の位相にずれが生じ、このずれ量に応じて集束光の波面が傾き、この傾き角度により集光する位置が決まる。
そのため、波長の異なった光の集光位置は互いに異なることになり、その位置に光出力導波路24を形成することによって、波長の異なった光を波長ごとに異なる光出力導波路24から出力することができる。すなわち、AWG11は、光入力導波路20から入力される互いに異なる複数の波長をもった多重光から1つ以上の波長の光を分波して各光出力導波路24から出力する光分波機能を有している。
AWG11は、上記のような特性を有するために、波長多重伝送に適用する光分波用の光透過デバイスとして用いることができる。例えば1本の光入力導波路20から波長λ1,λ2,λ3,・・・λn(nは2以上の整数)の波長多重光を入力させると、これらの各波長の光は、第1スラブ導波路21で広げられ、アレイ導波路22に到達し、第2スラブ導波路23を通って、波長によって異なる位置に集光され、互いに異なる光出力導波路24に入射し、それぞれの光出力導波路24を通って、光出力導波24の出射端から出力される。
そして、各光出力導波路24の出射端に光出力用の光ファイバアレイ25の各光ファイバ26(図1参照)を接続することにより、各光ファイバ26を介して、各波長の光が取り出される。また、光入力導波路20の入射端に光入力用の光ファイバアレイ27の光ファイバ28(図1参照)を接続することにより、光ファイバ28を介して、光が入射される。
また、AWG11は、光回路の相反性(可逆性)の原理を利用しているため、光分波器としての機能と共に、光合波器としての機能も有している。すなわち、上記とは逆に、各光出力導波路24から互いに波長が異なる複数の光を入射させると、これらの光は、上記と逆の伝搬経路を通り、アレイ導波路22と第1スラブ導波路21とによって合波され、1本の光入力導波路20から出射される。
上記機能を有するアサーマルAWGチップ12を作製するときには、例えば、まず、火炎堆積(Flame Hydrolysis Deposition:FHD)法を用いて、シリコンなどの基板上に下部クラッド膜、コア膜を順に形成し、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチング法を用い、コア膜にAWG11の導波路パターンを転写する。その後、再度、FHD法を用いて上部クラッド膜を形成する。
図4に示すアサーマルAWGチップ12では、第1スラブ導波路21が、第1スラブ導波路21を通る光の経路と交わる交差分離面30によって分離(切断)されている。交差分離面30はアサーマルAWGチップ12の一端側(図4の上端側)からアサーマルAWGチップ12の途中部にかけて設けられており、この交差分離面30に連通させて、第1スラブ導波路21と交差しない非交差分離面31が形成されている。
また、アサーマルAWGチップ12は、交差分離面30と非交差分離面31とによって、一方側の分離スラブ導波路21aを含む第1の導波路チップ12aと、他方側の分離スラブ導波路21bを含む第2の導波路チップ12bとの2つに分離されている。第1の導波路チップ12aと第2の導波路チップ12bとに跨る態様で、補償板33が設けられている。この補償板33は、図5に示す接着箇所41,42で第1の導波路チップ12a,第2の導波路チップ12bの表面上にそれぞれ接着剤により固定されている。その補償板33には、例えばアルミニウム合金1080を用いている。
このアサーマルAWGチップ12は、補償板33により、温度に依存して、第1の導波路チップ12aを第2の導波路チップ12bに対して、交差分離面30に沿ってスライド移動させる構成となっている。つまり、温度が変化すると第1スラブ導波路20による集光位置は変化するが、その変化した位置に補償板33の伸縮によって第1の導波路チップ12aを第2の導波路チップ12bに対して、移動させることができる。このため、温度が変化しても、同一の光入力導波路20或いは同一の光出力導波路24から同一の波長の光を取り出すことができる。これが温度無依存化を図ったアサーマルAWG11の原理である。
さらに、アサーマルAWGモジュール10では、図3に示すように、蓋15はネジ(図示省略)でパッケージ13に固定されており、ハーメチック構造になっていない。図1に示すように、パッケージ13の周壁部13aには、複数のネジ穴34が設けられている。一方、図3に示すように、蓋15にはネジが挿通する複数の貫通孔35が設けられている。複数の貫通孔35にネジをそれぞれ挿通させ、パッケージ13の複数のネジ穴34に螺合させて締め付けることにより、蓋15がパッケージ13に固定されるようになっている。
[実施例]
はじめに、シリコン基板上にFHD法、フォトリソグラフィー、反応性イオンエッチングを用いて100GHz-48chのアサーマルAWGチップ12を作製した。続いて、一方のスラブ導波路(第1スラブ導波路21)でアサーマルAWGチップ12を2分離させて、分離したチップを純アルミニウム(JIS:A1050)の補償板33で接続した。その後、アサーマルAWGチップ12をパッケージ13に収納し、導波路の屈折率と整合したゲル状の屈折率整合剤(シリコーン系熱硬化型ゲル)16でアサーマルAWGチップ12全体を覆い、ゲル状に硬化させたのちに蓋15をネジでパッケージ13に固定した。このとき、第1スラブ導波路21の分離された部分にはゲル状の屈折率整合剤16が充填されており、その部分での回折損失はほとんどない。また、蓋15はネジ止めのみでパッケージ13に固定されて開口部14を塞いでおり、蓋15とパッケージ13との間にはハーメッチク構造を採用していない。また、図2に示すように、補償板33とアサーマルAWGチップ12との接着箇所41(図5)および接着箇所42の接着剤はゲル状の屈折率整合剤16で十分覆われている。同様に、補償板33とアサーマルAWGチップ12との接着箇所41(図5参照)の接着剤もゲル状の屈折率整合剤16で十分覆われている。また、光学特性および温度特性は従来のマッチングオイルの特性となんら変わりはなく、良好な特性が得られている。
図6および図7に本アサマールAWGモジュール10のプレッシャークッカ試験(120℃100%2気圧)の結果を示す。非常に過酷な条件のもと、20h後においても、図6および図7に示すように、中心波長変動および挿入損失変動はほとんど変わらなかった。この結果は、従来のハーメチック構造のサーマルAWGモジュールの結果と比較しても同等であり、本アサーマルAWGモジュール10の高い信頼性を確認した。また、モジュールサイズは95×60×8.5mmとなり、従来のサイズ(130×65×8.5mm)よりも小型にすることができた。
さらには、試験前後での圧力変化によるオイル漏れの心配はなくなり、アサーマルAWGモジュール10としてより高い信頼性を有することが可能になった。
さらには、アサーマルAWGチップ12全体をゲル状の屈折率整合剤16で覆っているため、衝撃や振動時にアサーマルAWGチップ12にかかるダメージを抑制することができ、強固なアサーマルAWGモジュール10を提供することができる。
以上の構成を有する第1実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
・アサーマルAWGチップ12全体を導波路と屈折率を整合したゲル状の屈折率整合剤(例えばシリコーン系熱硬化型ゲル)16で覆っている。ゲル状の屈折率整合剤16は耐水性に優れ、水を通しにくいので、補償板33を2分離したチップ(第1の導波路チップ12a,第2の導波路チップ12b)の表面に固定する接着剤の水の浸入による劣化が抑制され、接着剤の劣化による中心波長の変動が抑制される。これにより、アサーマルAWGモジュール10の信頼性が向上する。
・上記従来技術のように、導波路の屈折率と整合したマッチングオイルを充填する場合、そのオイルが漏れないように、パッケージの開口部を塞ぐ蓋を溶接によりパッケージに固定するハーメチック構造を採用する必要があった。これに対して、本実施形態では、アサーマルAWGチップ12全体を、液体(マッチングオイル)より粘性が高く、導波路と屈折率を整合したゲル状の屈折率整合剤16で覆っている。このため、蓋15を溶接によりパッケージ13に固定するハーメチック構造を採用する必要がないので、コストの低減と小型化を図ることができる。小型化が可能になるのは次の理由による。上記従来技術ではアサーマルAWGチップ120と溶接箇所160との間に溶接しろとして一定距離Aを設ける必要がある(図10参照)。これに対して、本実施形態では、溶接を用いないため、アサーマルAWGチップ12とパッケージ13の縁を近くすることができ、図1に示す距離B,Cを上記一定距離Aより小さくすることができるからである。
・従って、小型で、高い信頼性を有し、かつ低コストのアサーマルAWGモジュール10を実現することができる。
・また、ブロードキャストサービスとポイント・ツウ・ポイント伝送を同時に実現できるWDM−PONシステムにAWGモジュールを屋外で使用する場合、例えば−40℃〜85℃程度の使用環境温度範囲が要求される場合でも、このような要求を満たし屋外で使用するのに好適なアサーマルAWGモジュール自体を実現することができる。
(第2実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係るアサーマルAWGモジュール10Aの内部構造を示している。このアサーマルAWGモジュール10Aでは、パッケージ13内部全体にゲル状の屈折率整合剤16を充填している。その他の構成は上記第1実施形態と同様である。この第2実施形態によれば、パッケージ13内部全体にゲル状の屈折率整合剤16を充填しているため、アサーマルAWG10Aの信頼性が更に向上する。
なお、上記第1実施形態では、アサーマルAWGチップ12全体が、AWG11の導波路と屈折率を整合したゲル状の屈折率整合剤16で覆われているが、本発明はこれに限定されない。図4に示すアサーマルAWGチップ12では、第1スラブ導波路21が、第1スラブ導波路21を通る光の経路と交わる交差分離面30によって2つのチップ(第1の導波路チップ12aと第2の導波路チップ12b)に分離されている。この分離された2つのチップ12a、12b間にゲル状の屈折率整合剤が充填されたアサーマルAWGモジュールにも本発明は適用可能である。
第1実施形態に係るアサーマルAWGモジュールの内部構造を示す平面図 図1のX−X線に沿った断面図 題1実施形態に係るアサーマルAWGモジュールの外観を示す平面図 アサーマルAWGチップを示す平面図 図4に示すアサーマルAWGチップの側面図 プレッシャークッカ試験の結果を示すグラフで、中心波長変化を示すグラフ。 プレッシャークッカ試験の結果を示すグラフで、挿入損失変化を示すグラフ。 第2実施形態に係るアサーマルAWGモジュールの内部構造を示す平面図。 図8のY−Y線に沿った断面図。 従来のアサーマルAWGモジュールの内部構造を示す平面図。 図10に示すアサーマルAWGモジュールの外観を示す平面図。
符号の説明
10,10A…アサーマルAWGモジュール
11…AWG
12…アサーマルAWGチップ
12a…第1の導波路チップ
12b…第2の導波路チップ
13…パッケージ
14…開口部
15…蓋
16…ゲル状の屈折率整合剤
20…光入力導波路
21…第1スラブ導波路
22…アレイ導波路
23…第2スラブ導波路
24…光出力導波路
30…交差分離面
33…補償板

Claims (6)

  1. AWGの導波路が形成されたチップの一部を切断して分離し、分離されたチップを補償板により連結して温度無依存化を図ったアサーマルAWGチップと、開口部を有し前記アサーマルAWGチップを収容するパッケージと、前記開口部を塞ぐ蓋と、前記導波路と屈折率を整合し、少なくとも前記分離されたチップ間に充填されたゲル状の屈折率整合剤と、を備えることを特徴とするアサーマルAWGモジュール。
  2. 前記ゲル状の屈折率整合剤は、少なくとも前記アサーマルAWGチップ全体を覆っていることを特徴とする請求項1に記載のアサーマルAWGモジュール。
  3. 前記アサーマルAWGチップは、1本以上の光入力導波路と、該光入出力導波路の出射側に接続された第1スラブ導波路と、該第1スラブ導波路の出射側に接続され互いに異なる長さの複数本のアレイ導波路と、該複数本のアレイ導波路の出射側に接続された第2スラブ導波路と、該第2スラブ導波路の出射側に接続された複数本の光出力導波路と、を備え、前記第1スラブ導波路及び第2スラブ導波路の少なくとも一方を、スラブ導波路を通る光の経路と交わる交差分離面によって分離して複数の導波路チップに分離され、かつ該分離された導波路チップの各々を前記補償板により連結していることを特徴とする請求項1又は2に記載のアサーマルAWGモジュール。
  4. 前記アサーマルAWGチップは、第1スラブ導波路及び第2スラブ導波路の一方を、スラブ導波路を通る光の経路と交わる交差分離面によって分離して2つの導波路チップに分離され、かつ該2つの導波路チップを一つの前記補償板により連結していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載のアサーマルAWGモジュール。
  5. 前記蓋はネジで前記パッケージに固定されて前記開口部を塞いでおり、前記蓋と前記パッケージとの間にはハーメチック構造を採用していないことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のアサーマルAWGモジュール。
  6. 前記アサーマルAWGチップが収容された前記パッケージ内部全体に前記ゲル状の屈折率整合剤が充填されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載のアサーマルAWGモジュール。
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